CN102817840A - 一种带有绕动式推力轴承的涡卷式容积位移装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带有绕动式推力轴承的涡卷式容积位移装置，固定涡卷的第一端板的涡卷元件与绕动涡卷的第二端板的涡卷元件相啮合，固定涡卷和绕动涡卷分别设置在主壳体中，底座机壳与主壳体连接；旋转驱动轴贯穿底座机壳的中间部分，并且靠近绕动涡卷的后端；一绕动推力轴承通过销子与绕动涡卷轴承座端板连接，同时，绕动推力轴承做与绕动涡卷相似的绕动运动。本发明旨在绕动涡卷与底座机壳之间设置能够沿绕动涡卷做轨道运行的推力球轴承，通过多组推力球轴承以平衡在绕动涡卷做轨道运动中可能产生的晃动，并且通过绕动涡卷与推力球轴承之间产生的密封接触，将绕动涡卷的轴向偏向力对压力气室进行密封，从而保持对两相啮合涡卷前后端面的轻微接触。

Description

一种带有绕动式推力轴承的涡卷式容积位移装置

技术领域

本发明涉及一种涡卷式容积位移装置，尤其涉及一种提高轴向和径向涡卷 依从结构的涡卷式容积位移装置。

背景技术

在机械领域，涡卷式流体位移装置用于压缩机和膨胀机，涡卷是在一个端板上延伸出一个具有螺旋剖面的柱面的元件。通常一个是固定的，叫做定涡卷。另一个涡卷具有与定涡卷的螺旋柱面相共轭的螺旋柱面，并相对于定涡卷做圆形的平动，也叫绕动，被称为绕动涡卷。

这两种涡卷的互相共轭的螺旋式涡卷 柱面相互啮合形成线接触。

一对线接触与端板表面之间至少形成一密封气室。当一个绕动涡卷相对于固定涡卷做轨道运动（圆周运动）时，在螺旋型侧壁上的线接触会沿着该侧壁移动，从而改变密封气室的大小。而轨道运动的方向将决定密封气室膨胀或是压缩流体。

美国专利号7467933，图1为一种具有单涡卷结构的涡卷膨胀机的实例的纵向剖面图，请参见图1所示，一种具有单涡卷结构的涡卷膨胀机的实例的纵剖面图，涡卷装置10包括一主壳体20，底座机壳70，旋转驱动轴40，固定涡卷50和绕动涡卷60，绕动涡卷60具有一第二端板61；底座机壳70与主壳体20相连接，主壳体20中设置固定涡卷50和绕动涡卷60，在底座机壳70的前端具有推力轴承71，推力轴承71与绕动涡卷60的第二端板61的后端的密封凸台64之间有滑动摩擦的接触并在密封凸台64同推力轴承71的前平面之间形成一压力气室83，压缩气体进入压力气室83，使得压力气室83产生轴向偏向力，将绕动涡卷60 沿轴向推向固定涡卷50。

实现密封元件的密闭接触是在绕动涡卷上设置一至多个如密封凸台和密封圈等的密封元件。但是这种方法有这样两个问题，一是，密封元件随着绕动涡卷做轨道运行时，由于绕动涡卷在各种力和力矩的作用下做轨道运行时会作绕垂直于主轴S1-S1的轴线的晃动，如同图1中N-N所示，使得密封凸台64与推力轴承71的密封接触易松动。二是，在无油状态下 作绕动运动的密封元件和推力轴承之间做滑动接触时会产生摩擦功率损失和密封元件的磨损。

发明内容

本发明提供了一种具有能提高涡卷轴向依从结构的可靠性和提高涡卷装置能量效率的机构的涡卷式容积位移装置，其具有做与绕动涡卷相似的绕动运动的推力轴承，使得绕动涡卷与推力轴承之间基本上无相对运动，绕动涡卷的背面与绕动推力轴承之间通过密封元件（例如密封凸台，O形圈，唇封等）产生密封接触从而形成密封的压力气室。绕动推力轴承与绕动涡卷之间的压力气室的气体压力与密封原件的弹性力，及其他力产生的对绕动涡卷的轴向偏向力使绕动涡卷对固定涡卷作轴向依从运动。这样密封元件的寿命和可靠性和磨擦功率损耗得到改善。

一种带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置，包括一主壳体、一底座机壳、一固定涡卷和一绕动涡卷；其中：还包括有一绕动推力轴承，所述绕动推力轴承通过销子和销子与所述绕动涡卷的轴承座端板连接，所述绕动推力轴承做与所述绕动涡卷相似的绕动运动。

进一步的，所述绕动推力轴承与所述销子和所述销子为滑动配合，所述绕动涡卷通过所述销子和所述销子带动所述绕动推力轴承运动。

进一步的，所述绕动涡卷具有一第二端板，所述绕动推力轴承与所述绕动涡卷的第二端板之间形成密闭的压力气室，所述压力气室的压力作用在所述绕动涡卷的第二端板上，使得所述绕动涡卷做相对于所述固定涡卷的依从运动。

进一步的，所述绕动涡卷的第二端板和所述底座机壳之间还包括有固定推力轴承，所述固定推力轴承与所述绕动推力轴承连接，使得所述绕动推力轴承所受的轴向推力由所述固定推力轴承承受。

进一步的，所述固定推力轴承包括固定推力球轴承和绕动推力球轴承，所述固定推力球轴承设置在所述底座机壳上，所述绕动推力球轴承作用在所述固定推力球轴承上，同时，所述绕动推力球轴承相对于所述固定推力球轴承做相似的绕动运动。

更进一步的，所述绕动推力轴承的轴向推力由所述固定推力球轴承和所述绕动推力球轴承承受。

本发明提供的一种提高轴向和径向涡卷依从结构的涡卷式容积位移装置，其在绕动涡卷与底座机壳之间设置能够与绕动涡卷做相似的绕动运行的推力轴承，通过绕动涡卷与绕动推力轴承之间的密封元件接触，形成密封的压力气室，产生使绕动涡卷对固定涡卷的轴向依从的偏向力。

附图说明

图1是一种具有单涡卷结构的涡卷膨胀机的实例的纵向剖面图；

图2是本发明一种带有绕动式推力轴承的涡卷式容积位移装置的纵向示意图；

图3是图2的中沿3-3线的横向剖面图。显示了由绕动涡卷带动绕动式推力轴承的机构；

图4 是图3 中沿4-4线的纵向剖面图。与图2的不同之处是剖面沿主轴线S1-S1旋转了90^o； 

图5为本发明一种带有双向的绕动式推力轴承的涡卷式容积位移装置的纵向剖视图；

图6是本发明一种带有双向的绕动式推力轴承的涡卷式容积位移装置的双向推力轴承机构的剖视图；

图6A是图6中双向推力轴承机构的上推力轴承的示意图；

图6B是图6中双向推力轴承机构的固定推力轴承的示意图；

图6C是图6中双向推力轴承机构的下推力轴承的示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明一种带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置的具体实施方式1。

图2为本发明一种带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置的纵向剖面图，请参见图2所示，一种带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置10，包括一主壳体20，一底座机壳70，一旋转驱动轴40，一固定涡卷50和一绕动涡卷60。固定涡卷50具有一第一端板51，在第一端板51上固定设有涡卷元件52，涡卷元件52固定其上并由此向外延伸；绕动涡卷60具有一第二端板61，第二端板61上固定设有涡卷元件62，涡卷元件62固定其上并由此向外延伸；设有涡卷元件52的第一端板51与设有涡卷元件62的第二端板61相互靠近，使得涡卷元件52与涡卷元件62之间相互啮合，并且涡卷元件52与涡卷元件62分别抵于第二端板61和第一端板51上，并保持180°的相位角位移和等于绕动半径Ror的径向位移。当绕动涡卷60相对于固定涡卷50做绕动运动时，涡卷元件52和涡卷元件62之间至少形成一个密封的气室，通过第一端板51和第二端板61啮合面之间的滑动来改变气室的容积。

通过绕动涡卷做相对于固定涡卷圆形平动 （即绕动）时，能够造成对第一端板侧壁和第二端板侧壁之间的移动的线接触。

固定涡卷50和绕动涡卷60分别设置在主壳体20中，通过主壳体20来支撑固定涡卷50，且固定涡卷50的端板51与主壳体20合为一体，底座机壳70与主壳体20连接，底座机壳70正对绕动涡卷60的后端。

一旋转驱动轴40包括一中央轴41，一曲轴42，曲轴42设置在中央轴41的一端，中央轴41贯穿底座机壳70的中间部分，且具有曲轴42靠近绕动涡卷60的后端，曲轴42通过关节64曲轴轴承260 能够带动绕动涡卷60后部的绕动轴承座63，从而带动绕动涡卷60作相对于固定涡卷50的圆形平动，即绕动；中央轴41的前后两部分别由轴承33和轴承34所支撑，轴承33和轴承34分别设置在底座机壳70，并且由底座机壳70所支撑，使得中央轴41可转动地设置在底座机壳70中，同时通过轴承33和轴承34起到对中央轴41定位的作用。在轴承33和轴承34之间还具有一马达35，马达35位于底座机壳70中，并且由底座机壳70所支撑，中央轴41贯通马达36，使得在马达35的驱动下中央轴41能够绕轴线S1-S1转动。

在主壳体20上具有一进气口80。在主壳体20与固定涡卷50和绕动涡卷60之间具有一吸气通道81，当工作流体例如空气，能够通过主壳体20上的进气口80进入吸气通道81。在绕动涡卷60和固定涡卷50之间的中部具有一中央气室82，绕动涡卷60的后端面与绕动推力轴承172 之间具有一压力气室83，从适当的位于固定涡卷50和绕动涡卷60之间的压力气室引入的压力气体通过适当的通道88与压力气室83相连通；进入吸气通道81的工作流体被吸入在固定涡卷50和绕动涡卷60之间形成的压力气室，并在绕动涡卷60的绕动运动中被压缩，然后传递至中央气室82，最后通过位于固定涡卷50的第一端板51中央部位的排气口84向外排出。

图3是图2的中沿3-3线的横向剖面图，为绕动涡卷带动绕动式推力轴承的机构的示意图，图2和图3所示的本发明的具有中心驱动曲柄轴——滑动关节与周边曲柄销——摆动连接机构相结合的机构（CSPS结构），包括中央驱动关节64、曲轴销轴承260、周边部分160a、轴承孔161a、固定曲柄162a、曲柄关节轴承163a、偏心孔166a、周边部分170a、轴承孔171a、固定曲柄172a、固定曲柄轴承173a、固定曲柄轴承174a、曲柄销175a、偏心孔176a、同步器177、同步器轴承177a、同步器轴承177b、同步器轴承177c等零件组成，为绕动涡卷提供了轴向和径向作依从运动的能力，系沿用了授予本发明人的专利号为ZL200610121150.3题为“改进的具有全依从浮动涡卷的涡卷型容积式压缩机”的中国专利，在此不再赘述。

图4是图3 中沿4-4线的纵向剖面图，与图2的不同之处是剖面沿主轴线S1-S1旋转了90^o，请参看看图2、图3和图4所示。绕动推力轴承172通过销子95a和95b与绕动涡卷60轴承座端板93 相连。绕动推力轴承172与销子95a和95b为滑动配合。绕动涡卷60作绕动运动时通过销子95a 和95b带动绕动推力轴承172 作绕动运动。

在绕动涡卷60的第二端板61和底座机壳70之间还包括有固定推力轴承，固定推力轴承与绕动推力轴承172连接，使得绕动推力轴承172所受的轴向推力由固定推力轴承承受。该固定推力轴承包括固定推力球轴承104和绕动推力球轴承102，固定推力球轴承104设置在底座机壳70上，绕动推力球轴承102作用在固定推力球轴承104上，同时，绕动推力球轴承102相对于固定推力球轴承104做相似的绕动运动。

绕动推力轴承172与绕动涡卷60的端板61的后部之间有由密封元件90和密封元件92（例如：O型圈、唇封等）所形成的密封压力气室83，压力气室83的压力作用在绕动涡卷60的第二端板61上，使得绕动涡卷60做相对于固定涡卷50的依从运动。由于绕动推力轴承172做与绕动涡卷60极其相似的绕动，因而密封元件90和92与动涡卷轴承座端板93和绕动推力轴承172之间只有极少相对运动，从而减少了密封元件的磨损和摩擦功率损失。三对双推力球轴承机构（图2只画出一对，固定推力球轴承104和绕动推力球轴承102）支承了绕动推力球轴承172所承受的轴向推力，并使绕动推力球轴承172做与绕动涡卷60相似的轨道运动。而且，由于绕动推力轴承172是一双向绕动推力轴承，使得能在轴向的向前和向后两个方向上承受轴向推力。

以下结合附图给出本发明一种带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置的具体实施方式2。 

图5为本发明一种带有双向的绕动推力轴承的涡卷式容积位移装置的纵向剖视图。图中所示的固定涡卷50和绕动涡卷60 的结构，工作原理度与上面已详细描述的具体实施方案1是一样的，故不再赘述。

图6为本发明一种带有双向的绕动式推力轴承的涡卷式容积位移装置的双向推力轴承机构的剖视图，图7A为图7中双向推力轴承机构的上推力轴承的示意图，图7B为图7中双向推力轴承机构的固定推力轴承的示意图，图7C为图7中双向推力轴承机构的下推力轴承的示意图，请参见图5、图6、图6A、图6B和图6C所示。在绕动涡卷60的第二端板61和底座机壳70之间具有固定推力轴承，该固定推力轴承包括下推力轴承74、固定轴承73和上推力轴承72。通过驱动轴承65和绕动驱动轴承261带动上推力轴承72和下推力轴承74做与绕动涡卷60相似的绕动。

上推力轴承72具体为一圆盘形，上推力轴承72的中间具有一通孔72a，上推力轴承72的四周均布三个台阶孔72b和三个螺纹孔72c。

固定轴承73具体为一圆盘形，在固定轴承73的中间具有一通孔73a，在通孔73a的外围同心设置有一台阶孔73b，固定轴承73的四周均布三个沉头螺钉孔73c 和三个孔73d；三个沉头螺钉77分别穿过三个孔73c将固定轴承73 固定在底座机壳70上。

下推力轴承74具体为一圆盘形，在下推力轴承74的中间具有一通孔74a，下推力轴承74的四周均布有三个沉头螺钉孔74b和三个孔74c。

上推力轴承72，固定轴承73和下推力轴承74依次排列。三个隔套75把上推力轴承72和下推力轴承74隔开，使其距离比固定轴承73的厚度大；三个沉头螺钉76将上推力轴承72和下推力轴承74固联在一起，上推力轴承72和下推力轴承74还与绕动驱动轴承261固联在一起，且绕动驱动轴承261的内径与驱动轴承65采用滑动配合。隔套75的直径与固定轴承73的孔73d的直径之差等于绕动涡卷60的绕动半径的两倍，即为绕动直径，同时曲轴销42的轴心线S1-S1和曲轴销44的的轴心线S2-S2的距离也等同于绕动涡卷60的绕动半径。当曲轴销44带动驱动轴承65，再带动绕动驱动轴承261，并最终使得上推力轴承72和下推力轴承74做绕动运动，同时绕动驱动轴承261、上推力轴承72和下推力轴承74能够一起做轴向的滑动。安装于孔73d中的隔套75则有效地起到防止上推力轴承72和下推力轴承74做转动。

最终，绕动推力轴承172的轴向推力由上推力轴承72和下推力轴承74承受。

在第二端板61上具有密封元件90和密封元件93，密封元件90和密封元件93可采用例如唇形密封圈或者O型密封圈等，在上推力轴承72和第二端板61之间还具有一压力气室83，通过密封元件90和密封元件93将压力气室83与周围区域密封区隔。涡卷装置启动时，密封元件90和密封元件93的弹性预紧力保证绕动涡卷60推向固定涡卷50时两相啮合的涡卷之间具有轻微的轴向接触。在涡卷装置运行时位于固定涡卷50和绕动涡卷60之间压力气室中的压力能够通过通道与压力气室83相连通。  

在真空泵的应用中, 在启动时进气端处于大气压，排气端也处于大气压。压力气室83中的气体压力高于大气压，对绕动涡卷60施加一个向后（即马达方向）的轴向力。 密封元件90和密封元件93的尺寸选定，确定了压力气室83的面积，从涡卷的压缩气室引入的压力气体作用在绕动涡卷60第二端板61的后端的力加上由密封元件90和密封元件93所施加的弹性预紧力超过由被压缩气体在绕动涡卷60的前端施加的轴向分离力，此轴向合力将绕动涡卷60沿轴向推向固定涡卷50以得到两啮合涡卷的轻微接触，从而也使压力气室之间保持良好的径向密封。本发明中具有中心驱动曲柄轴——滑动关节与周边曲柄销——摆动连接机构相结合的机构（CSPS结构）也使得绕动涡卷元件62径向保持与固定涡卷元件52的接触，以保持压缩气室的切向密封。此时在压力气室83中的气体压力作用下，上推力轴承72 向后部，即马达方向移动而与固定轴承73作滑动接触，由后者承受起轴向的推力。

当涡卷真空泵继续运转，吸气端压力逐步下降，压力气室中的气体压力低于大气压，从涡卷的压缩气室引入的低于大气压的压力气体作用在绕动涡卷60第二端板61的后端的力加上由密封元件90和密封元件93所施加的弹性预紧力加上作用在绕动涡卷60的非密闭气室的所有外表面所受的大气压力的合力，将绕动涡卷60沿轴向推向固定涡卷50以得到两啮合涡卷的轻微接触。此时作用在上推力轴承72背面的大气压力会将上推力轴承72和下推力轴承74向前（固定涡卷方向）推，此时上推力轴承72和下推力轴承74向前部移动，被固定轴承73所阻挡，而下推力轴承74的前面（朝向固定涡卷方向）与固定轴承73的后面作滑动接触，由后者承受起轴向的推力，避免由于大气压和真空之间的压力差造成过大的作用在动涡卷上的轴向推力。

本发明一种带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置，其旨在绕动涡卷与底座机壳之间设置能够沿绕动涡卷做轨道运行的推力球轴承，通过多组推力球轴承以平衡在绕动涡卷做轨道运动中可能产生的晃动，并且通过绕动涡卷与推力球轴承之间产生的密封接触，将绕动涡卷的轴向偏向力对压力气室进行密封；同时压力气室通过其中的密封件能够保持对两相啮合涡卷前后端面的轻微接触。

Claims (6)

1.一种带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置，包括一主壳体（20）、一底座机壳（70）、一固定涡卷（50）和一绕动涡卷（60）；

其特征在于：还包括有一绕动推力轴承（172），所述绕动推力轴承（172）通过销子（95a）和销子（95b）与所述绕动涡卷（60）的轴承座端板（93）连接，所述绕动推力轴承（172）做与所述绕动涡卷（60）相似的绕动运动。

2.根据权利要求1所述带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置，其特征在于：

所述绕动推力轴承（172）与所述销子（95a）和所述销子（95b）为滑动配合，所述绕动涡卷（60）通过所述销子（95a）和所述销子（95b）带动所述绕动推力轴承（172）运动。

3.根据权利要求1所述带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置，其特征在于：

所述绕动涡卷（60）具有一第二端板（61），所述绕动推力轴承（172）与所述绕动涡卷（60）的第二端板（61）之间形成密闭的压力气室（83），所述压力气室（83）的压力作用在所述绕动涡卷（60）的第二端板（61）上，使得所述绕动涡卷（60）做相对于所述固定涡卷（50）的依从运动。

4.根据权利要求1所述带有绕动式推力轴承涡卷式容积位 移装置，其特征在于：

所述绕动涡卷（60）的第二端板（61）和所述底座机壳（70）之间还包括有固定推力轴承，所述固定推力轴承与所述绕动推力轴承（172）连接，使得所述绕动推力轴承（172）所受的轴向推力由所述固定推力轴承承受。

5.根据权利要求4所述带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置，其特征在于：

所述固定推力轴承包括固定推力球轴承（104）和绕动推力球轴承（102），所述固定推力球轴承（104）设置在所述底座机壳（70）上，所述绕动推力球轴承（102）作用在所述固定推力球轴承（104）上，同时，所述绕动推力球轴承（102）相对于所述固定推力球轴承（104）做相似的绕动运动。

6.根据权利要求5所述带有绕动式推力轴承涡卷式容积位移装置，其特征在于：

所述绕动推力轴承（172）的轴向推力由所述固定推力球轴承（104）和所述绕动推力球轴承（102）承受。

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